JPH0566128B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はコンピユータ化断層撮影法に関し、更
に詳しくは、CTスキヤナのガントリにおける検
出器と放射線源とのあいだに共平面
（coplanarity）がないことにより生じるアーチフ
アクトを除去するか或いは少くとも最少のものと
する装置に関する。

（従来の技術） Ｘ線コンピユータ化断層撮影（以下CTと略す）
の進展により、データ収集時間及び画像再構成時
間の短縮、濃度及び空間的解像力の向上を伴なつ
たスキヤナがもたらされた。このような向上は、
主としてより洗練されたデータ収集手段とより迅
速な画像再構成をなしうるハードウエアにより達
成された。画像品質もまた、CTスキヤナの初期
アルゴリズムに使用される推論を再評価すること
により、またこれらの推論を画像再構成アルゴリ
ズムの修正に組み込むことにより進歩したものと
なつた。

このような推論は、例えば二次元減衰函数の線
積分の無限数が必要な理論的再構成アルゴリズム
と、実際のスキヤナにより収集される実データと
が矛盾しないとの前提をもとに、初めに行われ
る。再構成アルゴリズムにおいて、線積分値は逆
算されユーザーに画像として表示される二次元で
あらわされる対象の濃度函数となる。

CTスキヤナは複数の線源及び複数の検出器を
有し、これらは対象に対してスキヤニング動作を
行い発生源と検出器との間の多数の直線放射線濃
度の減衰測定をする。この減衰測定データは適当
な手段により処理され、対象の濃度函数の線積分
値分布が得られる。必要な線積分値を得るため、
線源及び検出器はあらかじめ設定された経路に沿
い移動するようにする。

Ｔ−Ｒ方式系では、線源が複数のペンシルビー
ムからなるフアンビームを放射するとすると、検
出器は移動中に平行ビーム路のデータに関わる情
報を得る。これらのデータは回転角度分ずつ間隔
をおいている。このような平行ビームデータは、
対象の濃度函数を得るように処理される。少くと
も180度の回転により収集される平行投影の濃度
函数を再構成するため、通常フイルタ処理逆投影
法が採用される。

Ｒ−Ｒ方式スキヤナでは線源と検出器とが相互
に対して相対的に固定されており、共に対象の周
囲を回転するが、それにより集められる非平行デ
ータを適当な並べかえ或いは再結合法により平行
データ方式に変換する。これは従来の逆投影法が
Ｔ−Ｒ方式スキヤナにより得られる平行データに
適合するようになつているからである。再結合も
しくは並べかえ法は米国特許第4266136号に開示
されている。並べかえアルゴリズムは180度プラ
ス放射線源扇形に対向する角度分の回転角度が必
要である。並べかえアルゴリズムに必要な扇形ビ
ームデータを直接再構成するための方法も知られ
ている。この方法は、D.L.Parkerによる論文
「扇形ビームCTのための最適な短時間スキヤン渦
形再構成」、Medical Physics，第９巻第２号、
1982年３月刊、254−258ページ、に要約されてい
る。

今日入手可能なCTスキヤナの大部分は共平面
形線源−検出器構成と呼ぶことができるものを使
用している。即ち、すべての検出器位置及び線源
位置のアパーチヤ中心がスキヤン面として知られ
る面と同じ面にある。この二次元構造は、濃度函
数のすべての線積分値が同一面にあることが必要
であるとする従来の再構成数学理論の結果によ
る。

実際のCTスキヤナにおける最大の問題は、検
出器及び線源が軸方向、即ちスキヤン面に対して
垂直方向に延びるアパーチヤ（孔）をもつている
ことである。

（非共平面構造及びその問題点） 対象が軸方向に空間的に不変であるという推論
を暗黙の了解として画像再構成アルゴリズムがつ
くられる。しかしこの推論は、殆ど満足する場合
がない。かくして“パーシアルボリユーム”アー
チフアクトがスキヤン面の最終再構成段階であら
われる。このパーシアルボリユームアーチフアク
トを減少させるために、線源及び検出器アパーチ
ヤの軸方向高さを出来るだけ小さくしなければな
らない。あるCTスキヤナでは、線源と検出器ア
パーチヤはそれぞれ別々の面にあるように意図的
に設計されている。このような装置は非平共面構
造を有するといわれる。非共平面装置は以下の論
文に記載されている：D.P.Boyd，“CTスキヤナ
発展の理論的可能性”Diagnostic Tmaging，
1982年12月刊；R.A.Robb“Ｘ線コンピユータ化
断層撮影：複合科学原理の技術総合、“Ed.J.R.
Bourne，CRC Press社、1982年３月刊、265−
327ページ。この新しい非共平面形状によりパー
シヤルボリユームアーチフアクトが強調されると
いう帰結をもたらす。パーシヤルボリユームアー
チフアクトのこの新しい段階は、“非共平面アー
チフアクト（noncoplanarity artifact）と名ず
けられる。

非共平面は種々のアーチフアクトの原因となる
が、そのうち二つが主たる問題である。その第一
は軸方向解像力にかかわり、他方は再構成アルゴ
リズムと相互作用するデータの不一致にかかわる
ものである。

スキヤナのスライスボリユームは、線積分値で
あらわされる、経路すべての集合により形成され
るボリユームである。非共平面形体におけるスラ
イスボリユームは共平面形体のそれよりはるかに
大きくはるかに不規則である。被検対象は軸方向
に空間的変動するため、非共平面装置の軸方向解
像力は対応する共平面スキヤナよりも著しく低
い。

非共平面により生ずる第二のタイプのアーチフ
アクトは、測定された線積分データにおける不一
致による。今日のすべての再構成アルゴリズム
は、二つの対向する経路に沿う線が同一であるこ
とを仮定しているか或いはそのことを要求する。
しかし軸方向における対象の減衰係数に変動があ
るならば、非共平面体における二つの対向路に沿
う線積分は同一でないだろう。この不一致の結
果、再構成された画像にアーチフアクトを生ずる
ことになる。このアーチフアクトの物理的形状及
び濃度分布のため、これは、バタフライアーチフ
アクトと呼ばれる。

非共平面形体を有するスキヤナが有用な画像を
生ずる、と考えられるなら、大きなスライスボリ
ユーム及びバタフライアーチフアクトは減少する
に違いない。常にある程度の非共平面が存在する
のであるから、非共平面アーチフアクトにより臨
床的に使用できない画像を生成する可能性が常に
存在する。かくして非共平面アーチフアクトを修
正するための装置及び方法が待望されている。

（問題点を解決するための手段） 本発明の一つの局面では、コンピユータ化断層
撮影における線源と検出器との間の非平面のある
タイプにより生ずるアーチフアクトを修正する方
法が提供され、前記非共平面は、第一の面である
線源位置の集合と、第二の面であつて前記第一の
面と軸方向に離れておりこれと平行である検出器
位置の集合、で表わされ、前記方法が下記のステ
ツプ： 線源を活性化することにより、線源から被検対
象を経て検出器に達する放射線を投射し； 放射線を検出し対象の放射線濃度の積分値を計
算し； そのデータから360度の投影をつくり； 収集されたデータをフイルタ処理し；そして、
再構成アルゴリズムを用いて有限数の半径方向線
を二回再構成することにより二つの画像を再構成
し、ここでその一回目は半径方向線の角を中心と
する再構成アルゴリズムに必要な、最少限のフイ
ルタ処理をした投影データを使用し、二回目は半
径方向線プラス180度の角度を中心とするフイル
タ処理をした投影データを使用することからなる
ステツプ；を含む。

本発明の一つの特徴によれば、上記方法は、画
像を含む半径方向線の二回の再構成を同時に行う
ステツプを含む。上述方法の結果、スライスボリ
ユームの上側及び下側を表わす二つの明瞭な画像
が得られる。二つの画像を使用することにより軸
方向解像力が著しく向上し、非共平面の特徴であ
るバタフライアーチフアクトが減少する。

上述方法は明らかに、第一世代もしくは第二世
代装置としても知られているＴ−Ｒ方式CTスキ
ヤナから得られるデータを最適に処理する。しか
しＴ−Ｒ方式に限られることなく、種々の構成の
装置からのデータを並べかえ或いは結合し、この
データをＴ−Ｒ構造スキヤナから収集したデータ
のように処理することが可能である。かくして本
発明方法によれば更に、任意の構成のスキヤナか
ら得られたデータを平行投影データに並べかえ、
上述のように処理するステツプも含む。

本発明の別の特徴によれば、非共平面を補償す
るためのより一般的なデータ処理方法が提供され
る。並べかえのためにはしばしばＲ−Ｒ方式スキ
ヤナに使用するような内挿法が必要である。内挿
値は必ずしも一致しておらず、従つて画像にしば
しばストリークアーチフアクトが生じることにな
る。従つてこのような内挿ステツプにより、本来
的な非共平面アーチフアクトよりも悪いアーチフ
アクトをもたらすことがある。そのため従来技術
の場合、Ｒ−Ｒ方式スキヤナからデータを得る際
に特定の形状に設計し、直接的な逆投影アルゴリ
ズム（平行投影データに対する内挿なしに）を適
用することがあつた。本発明の別の特徴によれ
ば、Ｒ−Ｒ方式スキヤナから直接に得られる扇形
ビーム投影データを、平行投影にかえて、使用す
るものであつて、この方法は画像を厚いくさび状
スポークに分割し、このくさびを半径方向線とし
て処理するステツプを含む。

本発明の上述特徴及びその他の特徴ならびに目
的については添付図面と関連しつつ説明した以下
の記載を参照することにより、更に明らかになる
であろう。

（実施例） 第１図に関し、参照番号１は身体を通る放射線
源を表わし、軸線１３の域内で検出器３と線源１
との間に位置する身体を透過をする放射線ビーム
を放射する。検出器３は線源１が位置する面と離
れているがこれと実質的に平行である面に位置す
る。検出器３は、被検対象である身体を通過する
ビームの強度を表わす強度信号を発生する線源１
から放射線を受容する。検出器３の出力はプリプ
ロセツサ５７に送られ、ここで身体（対象）を通
る線積分値により表わされる投影データを生ず
る。線積分値データは画像処理ユニツト５９へ送
られ、ここで、対象を表示する複数の画像を生ず
る。

図にはＲ−Ｒシステムが示されており、線源１
は点線５１に沿い軸線１３上を回転し、検出器３
は点線５３を回転し、線源１と検出器３とは相互
に相対的に固定されている。ここで本発明はＲ−
Ｒ方式構造に限定されているものではなく、この
ほかに他の構造、例えばＴ−Ｒ、Ｓ−Ｒ、完全に
固定されたストロボ線源方式構造等であつてもよ
い。勿論、線源１と検出器３は共に適当な支持部
材（図示せず）にとりつけられていることが理解
されるべきである。

第１図において番号１７は、線源１から投射さ
れ検出器３に入る放射線を表わしている。番号１
６は、線源１と検出器３それぞれが回動する面の
ほぼ中間に位置しこれらと平行である焦点面を示
している。移動手段５５は線源１を起動させて複
数の位置から放射線を投射できるようにし、それ
によりＴ−Ｒ方式の場合、身体に対して平行投射
信号を完全に360度、Ｒ−Ｒ方式の場合、フアン
ビームデータを完全に360度投射できるようにす
る。ここで移動手段５５はＲ−Ｒ方式では線源１
と検出器３の両方を二円系に回転しうるようにす
るが、Ｓ−Ｒ方式の場合では線源１のみを回転さ
せる。更にＴ−Ｒ方式の場合には、移動手段５５
は線源１と検出器の双方を直線運動及び回転運動
させる。

一般的に入手しうるCTスキヤナでは、放射線
源と検出器のアパーチヤの中心間に、第２Ａ図に
示すように理想的には共平面が存在している。例
えばＸ線管２１のような放射線源は検出器２２と
同じ面上にある。線源と検出器の対がそれぞれ
180度回転して位置２１′，２２′に達すると同じ
通路が発生源及び検出器アパーチヤの中心に接続
する。

比較のために示した第２Ｂ図では線源及び検出
器は共平面化にない。線源は線源面２３にあり、
検出器は検出器面２４にある。線源の面と検出器
の面との間の中心は焦点面と呼ばれ、図２Ｆに番
号１６で示されている。第２Ｂ図に示されるよう
に、線源２１が位置２１′に移動し、検出器２２
が２２′に移動すると、線源と検出器のアパーチ
ヤの中心を通る通路は、もとの通路と異なる。

上述通路の不一致は、先述バタフライアーチフ
アクトを結果する。線源と検出器が共平面でない
ことは軸方向解像力の低下をもたらす。共平面で
ないことから生ずるこのような結果を少くするた
めに使用される本発明の独特の方法は、再構成理
論にかかわる以下の数式を検討することにより、
よりよく理解されるであろう。

函数ｆ（ｘ，ｙ）を考える。この函数は（θ，
ｔ）で特徴ずけられる対象の横断面と通路を表わ
す： ｔ＝xcos（θ）＋ysin（θ）． (1) （θ，ｔ）により特徴ずけられる通路に沿う対
象の投影サンプルρ（θ，ｔ）は下記式により表
わされる： ρ（θ，ｔ）＝∫∫f（ｘ，ｙ）δ（ｔ−xcos（θ） −ysin （θ））dxdy. (2) 式中∫(z)は下記積分方程式により表わされる： ∫δ(z)ｇ(z)dz＝ｇ（０）． (3) 対象の投影は、当業者にはよく知られた態様で
得られる。

フイルタ処理された対象の投影は下記式： ｑ（θ，ｔ）＝ρ（θ，ｔ）〈^*〉ｈ(t)． (4) 式中コンボリユーシヨン操作は〈＊〉で表わさ
れ、ｈ(t)は逆投影アルゴリズムで必要な、よく知
られたフイルタ処理函数の一つである。

公知装置で対象ｆ（ｘ，ｙ）を再構成するため
に使用される逆投影操作は下記式により表わされ
る。： ｆ（ｘ，ｙ）＝∫q（θ，xcos（θ） ＋ysin （θ））dθ. (5) 式中、積分限界は180度の範囲をもつθの区域
を越えるものである。しかしこの範囲はすべての
値について、‘x'及び‘y'に固定される。

Ｆは（θ，ρ）を対象函数ｆ（ｘ，ｙ）の極座
標表示であるとする。二つの函数は以下の関係に
ある： ｆ（ｘ，ｙ）＝Ｆ（φ，ρ）， (6) ここで、 ｘ＝ρcos（φ）． （7a） ｙ＝ρsin（φ）． （7b） 式中 Ｏ＜＝ρ＜∞である。

再構成積分は、式(6)及び(7)を式(5)に代入される
と、極座標中に以下のように示される： Ｆ（φ，ρ）＝∫q（θ，ρcos（θ−φ））dθ. (8) 式中、φはゼロと2πとの間のすべての値をと
りうること、またρは負でないことを強調してよ
い。

φにおける‘f'の半径方向線を考えよう。

非共平面構成の形から、焦点面上に位置するφ
における半径方向線の対象によりまた半径方向線
及びφ＋πに沿う焦点面の下にある対象により、
ρ（φ，Ｏ）がその最大の寄与をしていることが
わかる。従つて焦点面上のスライスボリユームに
対応する半径方向線の最適再構成は以下のように
与えられる： Ｆ（φ，ρ）＝φ＋π／２ ∫ φ−π／２ｑ（θ，ρ^*cos（θ−φ））dθ. (9) 上記の議論を進めて、ρ（φ＋π，Ｏ）が、φ
により特徴ずけられる焦点面の下に位置する対象
によりまた焦点面の上にあるφ＋πにより特徴ず
けられる半径方向線に沿う対象により、その最大
の寄与をしていることがわかる。従つて焦点面下
のスライスボリユームに対応する軸方向線の最適
構成は下記式により表わされる： Ｆ（φ，ρ）＝φ＋3^*π／２ ∫ φ＋π／２ｑ（θ，ρ^*cos（θ−φ））dθ.(10) すべての画像は半径方向線の360度の集合であ
るため、式(9)及び(10)の積分式を二つの画像を再構
成するために使用することができる。本発明方法
の結果、スライスボリユームの上側及び下側を表
わす二つの明瞭な画像が見られる。二つの画像は
軸方向解像力を著しく向上させ、非共平面の特徴
であるバタフライアーチフアクトを減少させる。

上述方法を実施する装置が第３図に示されてお
り、図は画像プロセツサ５９の拡大図である。平
行投影形成ユニツト６１は、360度の平行投影デ
ータを生成する。６１の出力はフイルタ６３に移
る。再構成手段６７Ａ，６７Ｂは、半径方向線の
再構成片の集合により画像を再構成し、フイルタ
処理された投影データから画像を生成する。再構
成手段６７により使用されるデータはセレクタ６
５によりセレクトされる。セレクタ６５は、再構
成手段６７により再構成される半径方向線の函数
としてデータをセレクトする。セレクト手段６５
ａは、半径方向線の角度に中心を有する投影デー
タをセレクトするように設計され、セレクタ６５
ｂは半径方向線の角度プラス180度の位置に中心
を有するデータをセレクトするように設計されて
いる。フイードバツク手段７１は、再構成手段６
７により再構成される半径方向線角度をセレクタ
６５に与える。生成する画像は画像デイスプレイ
ユニツト６９にデイスプレイされる。

式(9)及び(10)の積分は逆投影積分の標準的な形で
ある。通常の逆投影法を上述の二重画像法に組み
込むことは容易である。これはすべての半径方向
線が180度のフイルタ処理投影を使用して再構成
されるからである。

上述の組み込んだ方法は第４図に示されてい
る。この方法は下記ステツプからなる： 360度の平行投影を形成する。

平行投影をフイルタ処理する： 上側ボリユームを表わす画像及び下側ボリユー
ムを表わす画像にゼロを付与する；そして、 360度のフイルタ処理投影すべてを逆投影し、
この逆投影ステツプを修正して、すべてのピクセ
ル値について、焦点面移行の前に上側画像中へ、
逆投影され、また焦点面移行の後下側画像中へ逆
投影されるようにし、この場合前記焦点面変換
は、逆投影されている投影と同じ角度でスキヤン
起点を横切る直線である。

この方法により円形のアーチフアクトが生ず
る。なぜなら、焦点面移行が交叉する時、画像相
互間の間にスイツチが生じて“鮮鋭”な変換が生
ずるからである。円形アーチフアクトは、高濃度
の対象をスキヤン面の起点と接続する。これら円
形アーチフアクトは、焦点面を中心する変換を平
滑化することにより減少しうる。平滑化プロセス
は、焦点面移行近くの域の両画像を逆投影するこ
とにより行われる。しかしこの域に逆投影される
値にはウエイトをつけ、それにより所定の投影及
び所定投影から正確に180度移動した投影の合計
が正確に１になるようにする。

上述手順は総合化できる。なぜなら、数学的観
点からはＴ−Ｒ方式で収集されたデータは他の再
構成方式で収集されたデータと等しいからであ
る。データを結合或いは並べかえしてＴ−Ｒモー
ドからのデータに適合するようにすることは常に
可能である。並べかえが一旦完了すると、先に述
べた手順が非共平面の修正のために使用すること
ができる。

並べかえには、例えばＲ−Ｒ方式スキヤナで使
用したように内挿法の使用がしばしば必要であ
る。内挿値は必ずしも一致しておらず、従つて並
べかえによつてしばしばストリークアーチフアク
トを再構成画像中に生じさせる。従つてこの内挿
ステツプは、もとの非共平面アーチフアクトより
悪いアーチフアクトをもたらすこともある。その
ため、並べかえステツプを用いることなく上述方
法をＲ−Ｒ方式スキヤナの場合に適用することが
望ましい。

第４図と関連して説明した非共平面アーチフア
クト修正方法について、二つの面の再構成のそれ
ぞれは、全360度のフイルタ処理投影からでなく
180度のフイルタ処理投影のものを受けることに
注目すべきである。第４図の方法は両画像におけ
る全ピクセルの速成アルゴリズムであることに注
意すべきである。しかし第４図のアルゴリズム
は、投影が180度プラスフアン角度を必要とする
ものでないためＲ−Ｒ方式データに直接には適用
できない。更に、投影はフイルタ処理の前に、投
影角度に依存する函数でウエイトをつけられる。

フアンビームデータに対する第４図のアルゴリ
ズムの直接的なアナロジー画像を得るため、他の
半径方向線と独立に、上側及び下側画像それぞれ
の半径方向線を再構成する。夫々の半径方向線
は、180度プラスフアンビーム再構成アルゴリズ
ムを使用することにより得られる。このアルゴリ
ズムは極めて時間を要する。その解決策は第５図
に示されているようないくつかのシヨートカツト
を用いることであり、この場合、実際にはセクタ
の使用により“大きな”半径方向線が描かれてい
る。

360度のフアンビーム投影データは、Ｋ箇の重
複するデータ組に分割される：夫々は180度プラ
ス扇形角度をカバーする。夫々の組についてデー
タ中に中心を有する扇形セクタを再構成する。ま
た、扇形セクタの反射を直ちに再構成する。Ｋ箇
の扇形セクタを組みあわせて上側面を形成し、反
射扇形セクタを組みあわせて下側面を形成する。
重複セクタはセクタ境域を横切る移行域を平滑す
るために使用される。

本発明は特定の手順及び実施態様と関連して説
明されたけれども、このような説明は例示にすぎ
ず、本発明の範囲を限定するものでない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による非共平面の放射線源−放
射線発生源−検出器構造を示す部分ブロツク図；
第２Ａ図は共平面、第２Ｂ図は非共平面の線源−
検出器構造の横断面を示す説明図；第３図は第１
図の画像処理手段の拡大ブロツク図；第４図は本
発明による、上側及び下側画像に対する逆投影の
区分を示す説明図；第５図は本発明による、扇形
ビーム構造を使用する厚いくさび状スポーク構成
の説明図である。 図中、番号１は放射線源、３は検出器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コンピユータ断層撮影における放射線源と検
   出器との間の非共平面構成により生ずるアーチフ
   アクトの発生を最少化する装置であつて、前記非
   共平面は第一の面である前記線源位置の集合と、
   第二の面であつて、第一の面から軸方向に離れて
   いる前記検出器位置の集合、の位置関係により定
   義される構成であり、前記装置が下記手段： イ） 被検対象が線源と検出器の間に配置されて
   いる時、線源を活性化することにより線源から
   対象を経て検出器に達する放射線を投射し、検
   出器から出力信号を得る手段； ロ） 出力信号を処理して対象の放射線濃度の積
   分値を計算する手段； ハ） そのデータを処理して360度のフイルタ投
   影データを得る手段； ニ） 再構成法を用いて、投影方向と逆投影方向
   との方向線に沿い二回再構成することにより二
   つの画像を得る手段であつて、その一回目は投
   影方向線の角度を中心とする再構成法に必要な
   最少限のフイルタ処理した投影データを使用
   し、二回目は逆投影方向線であつて、前記投影
   方向線プラス180度の角度を中心とするフイル
   タ処理をした投影データを使用する手段； を含むことを特徴とする、非共平面アーチフアク
   トを最少化する断層撮影装置。 ２ 前記ニ）の二つの画像を得る手段が、両画像
   を同時に再構成する請求項１記載の装置。